金属材料的晶体结构

1、材料的主要性能,力学性能 物理性能 化学性能 工艺性能,1,普通弹性材料（例如低碳钢）在拉伸实验中会经历4个阶段：弹性形变、屈服阶段、强化阶段、破坏直至断裂 弹性形变：即材料所受拉力在弹性极限之内，拉力与材料伸长成正比（胡克定律）。当外力撤去之后，材料会恢复原来的长度。 屈服阶段：在外部拉力超过弹性极限之后，材料失去抵抗外力的能力而“屈服”，即在此情况下外力无显著变化材料依然会伸长。当外力撤去后，材料无法回到原来的长度。 强化阶段：材料在内部晶体重新排列后重新获得抵抗拉伸的能力，但此时的形变为塑性形变，外力撤去后无法回到原来的长度。 破坏阶段：材料在过度受力后开始在薄弱部位出现颈缩现象，抵抗拉

2、伸能力急剧下降，直至断裂。,2,E=tga,B(ss下),A(ss上),屈服极限：,抗拉强度：,E,1.弹性阶段,2.屈服阶段,3.强化阶段,低碳钢拉伸 应力应变曲线,屈服点s和抗拉强度b是反映材料强度的两个性能指标，也是拉伸试验中需要测定的重要数据。,3,4,0.2对应于试样产生0.2%的塑性应变时的应力值为材料的屈服强度,对塑性低的材料（如铸铁），没有明显的屈服点,5,第二章 金属材料的组织结构,金属的晶体结构 纯金属的结构 金属的同素异构转变 合金的相结构 合金相图,6,一、金属的晶体结构,基本概念 纯金属的晶体结构 合金的晶体结构,7,1、基本概念,晶体：由许多金属原子/离子在空间按一

3、定几何形式规则地紧密排列。（周期性） 对比非晶体：原子无规则堆积（过冷液体）。,8,9,晶体特性固定熔点；各向异性,熔点,晶体,非晶体,10,原子（离子）的刚球模型,晶体结构,11,点阵（晶格）模型,12,晶格将原子抽象为一个几何结点，并用直线联接中心，所构成的一个空间格架。 晶胞晶格中能反映晶格特征的最小的几何单元,13,X,Y,Z,a,b,c,晶格常数 a，b，c,晶格常数,14,晶面: 通过原子中心的平面 晶向：通过原子中心的直线所指的方向,X,Y,Z,a,b,c,15,2、纯金属的晶体结构,金属键决定特性 大量自由电子良好导电导热性 电子云与离子间引力高强度和良好塑性 紧密的金属键排列

4、紧密的高对称晶格,16,三种常见的金属晶体结构,体心立方晶格 bcc 面心立方晶格 fcc 密排六方晶格 hcp,17,（1）体心立方晶格 bcc,如-Fe、W、V、Mo 等,18,晶格常数：a=b=c； = = = 90,晶胞原子数：,原子半径：,致密度：0.68 致密度=Va /Vc，其中 Vc:晶胞体积a3 Va:原子总体积24r3/3,X,Y,Z,a,b,c,2r,2r,a,a,2,19,（2）面心立方晶格 fcc,如-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag 等,20,晶格常数：a=b=c； = = = 90,晶胞原子数：,原子半径：,致密度：0.74,X,Y,Z,a,b,c,密排方向,4

5、,21,（3）密排六方晶格 hcp,如C（石墨）、Mg、Zn 等,晶格常数 底面边长a 底面间距c 侧面间角120 侧面与底面夹角90,晶胞原子数：6,原子半径：a/2,致密度：0.74,22,3、实际金属的晶体结构,单晶体原子排列相同，晶格位向一致 多晶体多晶粒和多晶界,23,晶粒晶体中包含的具有不规则颗粒外形的小晶体 晶界晶粒界面，不同的位向过渡区,24,晶体缺陷类型,点缺陷：空位、间隙原子、异类原子 线缺陷：位错 面缺陷：晶界与亚晶界,25,间隙原子是其它元素则称为 异类原子 （杂质原子）,空位,间隙原子,（1）点缺陷,26,（2）线缺陷 刃位错与螺位错,刃位错,刃位错,27,螺旋位错,

6、28,（3）面缺陷,晶界,29,亚晶界,亚晶界,面缺陷引起晶格畸变， 晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。,30,二、纯金属的结晶,结晶 结晶条件（结晶温度） 结晶过程（形核与长大） 晶粒细化,31,结晶： 液体 - 晶体凝固： 液体 - 固体（晶体 或 非晶体）,结晶,32,冷却曲线热分析法,T0,Tn,理论结晶温度,开始结晶温度,T,过冷度,T= T0 - Tn,纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）,33,冷却速度越大，则过冷度越大。,34,结晶过程形核和晶核长大的过程,液态金属,形核,晶核长大,完全结晶,35,（1）形核过程,自发形核由液体金属内部原子聚集，超过临界晶核

7、尺寸后形成的结晶核心。,非自发形核是依附于外来杂质上生成的晶核。,36,（2）长大过程平面生长与树枝状生长,平面生长示意图,37,细化铸态金属晶粒的措施,晶粒度表示晶粒大小，分8级。,细晶强化晶粒细化使金属机械性能提高的现象,细晶强化强度、硬度、塑性、韧性,38,细化晶粒的措施,（1）提高过冷度,形核率N 、长大速度G 与 过冷度T 的关系,39,（2）变质处理,在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。,作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大,（3）振动结晶,作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化,机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。,40,三、金属的同素异构转变

8、,同素异构性一种金属具有两种或两种以上的晶格结构 同素异构转变金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。 重结晶特点：晶界形核， T大，内应力大,41,纯铁的同素异构转变,-Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc,1394 C,912 C,912 C,42,纯铁的冷却曲线,T,t,1538,1394,912,-Fe，bcc,-Fe，bcc,-Fe，fcc,Cooling curve,770,铁磁性,43,四、合金的相结构,基本概念 固溶体 化合物,44,1、基本概念,合金两种以上元素组合成的、具有金属特性的物质。如，Cu-Zn, Fe-C等合金 组元组成合金的最基本、独立的物质（元素、稳定化合物）。如，Fe-C合金中，Fe、C均为组元。 相化学成分、结构相同，且以界面分开的各均匀组成部分。,45,水（液相）,水+冰（双相）,冰（固相）,46,Fe-C合金中的相F+Fe3 C,Fe3 C,铁素体（ F ）,47,组织 相的形状、分布、组合状态。,单相组织（F）,双相组织（F+ Fe3 C）,48,固溶体 溶质原子溶于溶剂晶格中，保持溶剂晶格的合金相。 化合物合金组元形成晶格类型与任一组元